详解工业相机和镜头选取

01 什么是工业相机
刚入门3D视觉，第一次接触到工业相机的时候，对，一般来说工业相机长这个样子：

图1

图1 常见工业相机外观
一问价格，至少都是大几千，贵的在十几万，心里就不禁有疑问，就这么一个破相机，为啥就卖这么贵？它跟我们常见的单反相机有什么区别？我用单反相机来拍，色彩又好，成像又清晰，它不香吗？为啥一定要用工业相机？

图2

图2 常见单反相机外观
咋一看，单反相机块头这么大、工业相机块头这么小，工业相机明显在坑人啊！诚然，由于工业相机需求量和产量的缘故，工业相机的研发、制造总成本会远远高过消费级单反相机，这也是它价格更为昂贵的原因，但我们这里一定要明白一个概念：

工业相机，不能简单地理解为工业上用的相机，它是有特殊用途一类相机。

特殊用途：什么叫特殊用途，比如说我们3D重建算法，对相机的畸变要求尽量小，在某些恶劣场合，需要用到IP67级防水相机、拍摄原子弹爆炸前几微秒内原子弹内部的场景，这类专门的相机可以称为高速相机，这些相机都可以称为工业相机。而相反的，你认为工厂里监控摄像头，尽管它部署在工厂里的每个角落，但你能认为它是工业相机吗？

02 工业相机与单反相机的区别
事实上，工业相机相比较一般的单反相机，区别还是很大的，概括下来大致有以下4个方面：
1.配备专门软件开发工具包（Software Development Kit，SDK），我们可以通过代码设置包括：曝光时间、触发方式、图像分辨率、成像帧率等等一系列相机参数（下面是某款相机 SDK 的图像界面）。

图3

图 3 FlyCapture SDK 采集图像界面
2.成像精准：一般来说，工业相机的图像传感器是逐行扫描的，而普通传感器是隔行扫描的，前者生产工艺更为复杂，成品率低、出货量少，世界上只有少数公司能够提供这类产品。此外，工业相机的畸变、色彩还原准确度往往更好，而单反相机追求的是要拍的好看。
3.稳定性和可靠性：工业相机的性能稳定可靠、易于安装，结构紧凑结实不易损坏，连续工作时间长，可在较差的环境下工作，这是单反相机做不到的。

例如一些工业相机被安装在工业检测生产线上，负责产品的视觉测量、缺陷筛查等工作，这就要求相机在流水线常年连续运转过程中保证不出故障，否则会导致生产线停摆甚至瘫痪，这对企业来说意味着难以挽回的经济损失。

4.        特殊用途
–严苛场景：比如某些在航空上用的相机，其工作温度范围就要求：-40℃~85℃；
–成像速度：拍摄汽车碰撞、原子弹爆炸的高速相机；
–光谱范围：比如测量钢炉内铁水温度的红外相机；
除此之外，工业相机一般来是黑白的，主要是为了保证曝光充足、成像准确。至于价格，我认为不是区分工业相机和单反相机主要的因素，还是得看具体相机的型号，消费级市场也有大十几万的设备。

03  工业相机的接口
工业相机的接口主要有三种类型：

图4

图 4 工业相机的接口

• 镜头接口：固定相机跟镜头，也称为卡口；
• 数据接口（控制）：传输拍摄到的相机数据（控制相机）；
• 电源接口（控制）：提供相机电源（控制相机）；
有时候，数据口和电源口也会放一起，某个接口既能提供数据传输又能提供相机电源，随着时代的变化，这类即插即用的工业相机越来越普遍。

这里所谓的即插即用，并不是说插上去就能用，而是在安装相应的驱动后，我们通过 SDK 可以进行调用，区别与某些接口相机需要自己去写底层驱动以及相应图像处理算法。

3.1 镜头接口
通常来说，我们买到的工业相机是不带镜头的，就像下面这样：

图5

图 5 不带镜头的工业相机

常见的工业相机镜头接口包括：C、CS、M42、M50、F、V、T2 等等，接口类型的不同和工业相机镜头性能、质量并无直接关系，仅仅是接口方式不一样，一般来说，我们也能找到各种常用接口之间的转接口。下面简要地介绍下这些接口。

最简单的，你记住什么相机接口对什么相机镜头即可。

1）C、CS 接口
相机镜头的 C、CS 接口非常相似，它们的接口直径、螺纹间距都是一样的，仅仅是法兰距不同。C 接口的法兰距是 17.5mm，CS 接口的法兰距是 12.5mm。因此对于 CS 接口的相机，如果想要接入 C 接口的镜头，只需要一个 5mm 厚的 CS-C 转换环即可。两个接口与转换环的实物如下所示：

图6

图 6 工业相机 C 接口和 CS 接口实物（图中 CS 接口相机已转接为 C 接口）

法兰距：也叫做像场定位距离，是指机身上镜头卡口平面与机身曝光窗平面之间的距离，即镜头卡口到感光元件（一般是 CMOS 或 CCD）之间的距离。
注意，法兰距不同，即便装上也无法清晰对焦和成像。

2）M 系列
M12 接口，这个接口对应的数字 12，指的是接口直径是 12mm。由于直径较小，这类接口往往用在微小工业相机上，如无人机上搭载的相机一般用的这类镜头，如下所示：

图 7 M 系列接口
而 M42、M58 接口更大，往往用在大靶面的工业相机、甚至线扫相机上。这类接口直接通过螺纹连接到相机上，连接较为方便。

3）卡扣系列
对于卡扣系列，主要有两种：佳能的 EF 接口和尼康的 F 口，这个接口也在它们家单反中使用，两者的差别在于法兰距不同，F 口的法兰距大于 EF 口，在工业相机领域，尼康的 F 接口也更为常见一点。实例如下：

图 8 卡扣系列接口

4）常见镜头接口参数
当然还有其他接口，包括老式的 PK 口、施耐德 V 口、以及其它各种接口等，这些用的倒不多，就不一一介绍了。其实记住一句话，什么相机口对什么镜头口即可了，但这里还是给出常见的镜头接口参数，以便大家参阅：


3.2 数据+电源 接口
常见的数据、电源接口包括 USB、CoaxPress、CameraLink、Gige 接口等，如下所示：

图 9 常见数据+电源 接口[3]

它们的性能指标对比如下：

图11

表 2 常见数据+电源接口对比

简要地解释一下：
• USB2.0、3.0 系列：这类接口的好处是即插即用（虽然这里说是即插即用，但一般工业相机都还是要安装驱动以及相应的 SDK 才能调用的），3.0 的速度达到了 5.0GB，但问题是传输的线路太短，不太适合长距离、大批量工业相机的应用场景（这在大多数化工企业中是这样，相机安装在工厂的各个角落，处理放在主控室）。

• IEEE1394：Apple 公司推出的标准，传输速度介于 USB2.0~3.0 之间（还是比较慢的），传输距离达到了 100m，但是其需要额外的转接头，因此应用也不多。

• GIGE：也就是常说的网口相机，传输速度虽然不高（一般来说也够用了），但是传输距离远，集成方便，配合上千兆路由器，可以实现大规模的工业相机集成，目前工业应用上最为广泛，较为高端的工业相机也大多采用这种配置，唯一的缺点是需要额外的电源供电。

• Cameralink：一种专门的工业级视觉产品使用行业标准，传输速度可以达到 5.44Gbit/s，往往用在之前的一些高速相机上(因为之前 USB2.0、GIGE 这些接口都太慢了)，但缺点是需要额外的图像采集卡、价格贵（一条线缆 1000）、而且不好用，要自己去写相机驱动，并且不支持热插拔（会损坏相机！）。

原因：使用这类接口的相机在物理上被硬生生地拆为两部分，相机的厂商只负责相机的制造，而相应的驱动、软件，比如说图像的采集、处理等算法都需要你自己对 CameraLink 采集卡进行编程。

• CiaXPress：速度快、传输距离远，独立供电、价格也便宜，推出来用以取代 Cameralink 接口。这类相机需要额外的接口卡，注意，这里是接口卡！接口卡不同于采集卡，其只是相机采集到的数据的一个中转站，不会对数据做任何处理，其直接将数据存储在主寄存器中。

因为这类相机传输速度较快，如果将拷贝数据的工作交给 CPU 来做的话，CPU 将会消耗大量资源.

需要说明的是，我们选取工业相机型号的时候，接口并不是传输速度越好越好，而是要挑合适的，杀鸡焉用牛刀？那怎么选型呢？我们下一节说！

04  镜头参数
4.1 焦距
1）物理焦距
对于单片凸透镜来说，焦距通常指平行光线经凸透镜汇聚后一点到透镜中心的这段距离，如下所示。通常，这个距离在制造完成后就不可变的，也就是说一块凸透镜的焦距是不会发生变化的。

图 10 单片凸透镜的物理焦距

但现代镜头通常由多片薄透镜组成，如图 11 所示:

图11

图 11 现代相机镜头构成[5]

它们之间的的相对距离可以发生变化，因而物理焦距也可以随之发生变化，这类镜头称为变焦镜头，反之不能发生变化的是定焦镜头。

2）摄影焦距

市面上大多数镜头都是定焦镜头，但是我们常说调焦又是怎么回事呢？不是说定焦镜头吗？定焦怎么能调焦呢？

事实上，这里我们所说的调焦，或者说对焦，其实并不说改变镜头的物理焦距，而是改变像距，即调整成像面和镜头的距离，使得 CCD 上能够清晰成像，这段距离也称为摄影焦距，简称焦距，如下所示：

图12

图 12 镜头的摄影焦距

3）调焦原因

为什么要去调整摄影焦距呢？

我们来看下面这个模型：

图13

图 13 相机清晰成像对焦情况

对于小人头部的 A 点，其从头部发出三个方向的光线，经过镜头汇聚后，汇聚于成像面的 A’点。那么对于 A 点发出其它方向的光线呢？它们也会汇聚于 A 点，因为镜头的形状是经过专门设计的。

这里有两点特殊：
• 同一点发出的各个方向的光线，经过镜头后必定汇聚于同一点；
• 同一平面上的不同点发出的光线，经过镜头后，汇聚于不同点；
对于这个模型，这里可以看出，如果相机镜头跟成像面的距离，也就是焦距不对，那么必然要进行调焦。在实际情况中，在大多数相机中，CCD 是固定不动的，我们通过移动整个镜头离成像面的距离来完成对焦（镜头的物理焦距依然没有发生改变，这也是定焦镜头可以调焦的原理）。

为什么改变物体距相机的距离后，我们要重新进行调焦？

原因如下：即使是同一个高度点，在不同距离上，摄影焦距也是不一样的，因而需要调焦，示意图如下，A1、A2 的摄影焦距显然不一样：

图 14 不同成像距离，摄影距离不同，因而需要调焦

有人又问了，如果发生发生下面这个场景，图像不会混叠吗？A1、A3 好像成像在同一点上，首先 A3 是可以清晰成像的，A1 显然不行。

图15

图 15 不同距离、高度下光路混叠现象
其次，从理论上讲，A1、A3 在 CCD 上就是呈现为同一点，那怎么区分 A1、A3 点呢？拜托，动下脑子，如果有 A3 点，你能看到 A1 点吗？
需要提的一点是，在之后的模型推导中，我们会将整个相机模型简化为小孔成像模型，就像下图这样，这并不会影响我们之后公式推导的准确性。


图 16 简化的相机小孔成像模型
对于上面的理解，这里只要求你大致了解，知道为什么需要调焦就好，因为传统的相机光学真的是门非常复杂、高深的学问，可以讲好久，在这里我跟你讲的还是化简后的相机模型。

简单说，焦距有两种，镜头的物理焦距和摄影焦距，物理焦距一般出厂后就固定了，我们调整的是摄影焦距，恰当的摄影焦距才能使图像清晰成像。

4.2 景深

前面有个问题，我们知道头顶平面可以清晰成像，那么鼻子的位置就不能清晰成像了吗？

事实上，我们所谓的清晰是一个相对的概念，人眼的分辨能力有限，只要该区域足够小，我们就认为它是清楚的。模型如下所示：

图 17 景深：相机在一段范围内都可以认为是清晰成像的
在b平面前后一定距离范围内，从 a 到 c，我们可以认为成像都是清晰的，这一深度范围称为景深。焦点附近，也就是在景深范围内清晰，而前后方景物都比较模糊，实际的图像如下：

图 18 景深范围内清晰，范围外模糊

4.3 光圈
光圈大小是用 f 值来刻画的，意思是开了几分之几，影响镜头的进光量。光圈值为 f/2.0，意思是开了 1/2，常见的光圈值如下所示：

图 19 镜头光圈大小
光圈的大小除了影响进光量外，也会影响景深，简单说：光圈越大，景深越小。

图 20 光圈影响景深原理图
较大的光圈意味着更大的进光量，有利于弱光环境下拍摄，一般来说，镜头越亮约好，但是大光圈镜头也意味着景深不够。

4.4 常见镜头标识
关于工业相机中常见的镜头标识大致如下：

图 21 镜头常见标识
还有一些镜头标识，当你看到了不认识，请百度一下！因为有时候我也会不认识上面的标志。

05 相机参数
关于相机的参数就简单多了，下面简要叙述：
• 分辨率
相机每次采集图像水平和竖直方向的像素点数，对应于 CCD 水平和竖直方向排列的感光元的个数，常见的分辨率有：1920 × 1080。
• 像元大小
单个像素的物理尺寸大小，一般来说，像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高。目前工业数字相机像元尺寸一般为 3~4 。
• 靶面尺寸
通常厂家会告诉你实际 CCD 的靶面尺寸，其并不完全等于分辨率 × 像元大小。
像元大小和像元数（分辨率）两者共同决定相机靶面的大小，是此消彼长的关系，所以我们选择相机的时候也并不是分辨率越高越好，而是挑选合适的分辨率。
• 像素深度
每个像素的位数，含义如下，比如说一副灰色图像的像素深度为 8 bit，那么意味着它有
28 = 256 级灰度（对于三通道的彩色图像来说，意味着28 × 28 × 28 = 224 种颜色）。常见的像素深度有 8、10、12 bit。像素深度过浅，会使图像看起来不自然。而增加像素深度可以增加测量的准确性，但是也会降低系统的速度，并且提高系统集成的难度。
知道了像素深度概念，你就能明白为什么大多数工业相机都是黑白相机了吧？
• 最大帧率/行频
相机采集和传输图像的速度，一般来说有两种类型相机：
–面阵相机：每秒采集的帧数（Frames/Sec）；
–线阵相机：每秒采集的行数（HZ）；
• 曝光方式
–线阵相机：逐行曝光，有固定行频和外触发同步形式；
–面阵相机：帧曝光、场曝光、滚动曝光等形式，也提供外触发同步形式；
所谓外触发同步，指的是外部给一个信号，相机即开始拍摄图像。
• 曝光时间
也称为快门速度，指从快门打开到关闭的时间间隔，在这一段时间内，物体可以在底片上留下影像。曝光时间 × 快门速度共同决定了曝光量。曝光时间不能设置太长，其会增加照片的底噪，也不能设置太短，会导致曝光不足，要看需要而定：在暗光条件下，比如说拍星星，曝光时间就要设置几个小时。而在亮光情况下，拍摄运动的汽车，曝光时间就不能设置太长，否则会行成残影。
• 光谱响应特性
指传感器对不同光波的敏感特性，一般来说，响应范围都在 350nm~1000nm 间。有的相机在靶面前面会增加一个滤镜，滤除红外线，如果系统需要多红外光感应，可以去除该滤镜。
•信噪比
相机的信噪比定义为图像中信号与噪声的比值，代表了图像的质量，图像信噪比越高，相机性能和图像质量越好。

06  相机和镜头选取
下面这些参数，主要用在相机、镜头选取的计算中：
• 工作距离（Working distance, WD）：镜头最外端到被测物体距离。
• 视场范围（Field of View, FV）：实际拍摄到区域尺寸。
• 视场角（Angle of View, FOV）：影响理论视场范围。

图 22 视场角和视场范围关系

• 光学放大倍数（Magnification, B）：芯片尺寸除以视野范围；

图 23 光学放大倍数

下面我们来讲一些主要参数的选取：
1. 相机
–CCD or CMOS
CCD 提供更好的图像质量、抗噪能力，CMOS 体积更小，但噪声会更多一点。当然，这不是绝对的，还是钱决定的。
–CCD 尺寸
有钱的话，尽量买大一点的。
–合适的分辨率
对于视野范围为 300 × 300 ，要求测量精度为 0.2 ，那么横/竖放下的分辨率至少为300/0.2 = 1500 像素，通过我们不会用一个像素对应一个测量精度，一般选择倍数为 4、甚至更高，这样相机单方向的分辨率为 6000，相机的分辨率：6000 × 6000 = 3600 万。

这也是为什么结构光系统视野范围大则测量精度低的原因。

–足够的相机帧率
当被测物体有运动要求，相机的帧率不能太低，对于一些高速运动的物体，可以选择

2. 镜头
–镜头接口：
跟相机接口匹配，也可以外加转换口后匹配，并且镜头可支持的最大 CCD 尺寸应大于选配相机 CCD 尺寸大小。

–镜头焦距
根据相机 CCD 尺寸、工作距离、视场大小（物体的高/宽）计算所需镜头的焦距，如下：

图 24 根据 CCD 尺寸、工作距离、视场大小计算所需的镜头焦距

–镜头光圈范围
光圈大小决定图像亮度，在拍摄高速运动物体、曝光时间很短的应用中，应选用大光圈镜头以提高图像亮度。

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